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斯坦福洗碗机器人新作!灵巧手学采茶做早餐

手把手教机器人,直接就能让它学到真本事!不管是采茶沏茶做早餐,这些精细活儿都「手」到擒来。还是灵巧手的那种。△星动纪元灵巧手星动XHAND1△星动纪元灵巧手星动XHAND1来自斯坦福大学、哥伦比亚大学、摩根大通AI研究院、卡耐基梅隆大学、英伟达提出了一种数据采集与策略学习框架DexUMI——利用人手作为自然接口将灵巧操作技能迁移至多种灵巧手。该框架通过硬件与软件的双重适配,最大限度缩小人手与各类灵巧手之间的具身差异。相信不少人看过去年他们发布的UMI,通过记录并学习人类操作,让夹爪类机器人学

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    手把手教机器人,直接就能让它学到真本事!

    不管是采茶沏茶做早餐,这些精细活儿都「手」到擒来。还是灵巧手的那种。

    △星动纪元灵巧手星动 XHAND 1

    △星动纪元灵巧手星动 XHAND 1

    来自斯坦福大学、哥伦比亚大学、摩根大通 AI 研究院、卡耐基梅隆大学、英伟达提出了一种数据采集与策略学习框架DexUMI——

    利用人手作为自然接口将灵巧操作技能迁移至多种灵巧手。该框架通过硬件与软件的双重适配,最大限度缩小人手与各类灵巧手之间的具身差异。

    相信不少人看过去年他们发布的 UMI,通过记录并学习人类操作,让夹爪类机器人学会洗碗,结果在行业引发不小的关注和轰动。

     斯坦福洗碗机器人新作!灵巧手跟人学采茶做早餐,CoRL 2025 提名最佳论文

    除了效果惊艳,更深层的原因在于他们让夹爪的操作数据采集迅速便利化,行业多家厂商迅速跟进,推出了工业化数采产品。

    今年,他们将夹爪升级到更复杂更高自由度的灵巧手,让机器人学会更丰富更精细的操作任务,势必也将引发新一轮灵巧手数采革命。

    正在首尔举办的 CoRL 2025 中,它被提名为最佳论文。

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    他们在两种灵巧手硬件平台(全驱和欠驱)上验证了 DexUMI 在多类操作任务中的能力与有效性,其平均任务成功率达到 86%。与传统的远程遥操比,实现了 3.2 倍的数据采集效率提升。

    值得一提的是,其中全驱采用的灵巧手正是出自国产明星具身玩家星动纪元的星动 XHAND 1。

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    手把手教机器人做事

    人类双手在执行各类任务时展现出惊人的灵活性,那么通过「手把手教机器人做事」,也许就能来让机器人解锁各种新任务。去年的 UMI 验证了这一思路的有效性。

    它是一款可穿戴式夹爪设备,它能高效采集机器人训练数据。通过装有 GoPro 和 IMU 传感器的手持夹爪,UMI 能够精准高效地记录人类操作动作,并用于训练策略部署在机械臂真机上。UMI 设备低成本,能够在 15 分钟内完成组装。这解决了夹爪类机器人操作数据采集慢,这一困扰众多科研工作者的难题。

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    今年团队将目标聚焦在了灵巧手,不过相较于夹爪,要将把人类的操作技能整体迁移到灵巧手的挑战更为严峻。

    最核心的原因在于两者之间存在显著的差异,包括在动力学结构、接触面形态、 视触觉感知等多个维度。

    再加之不同灵巧手在自由度、驱动方式、大小尺寸等方面存在工程设计的多样性。因此要是缩小具身的差异,还需要考虑兼容各种硬件设计空间。

    遥操已成为灵巧手的主流控制方式。但空间观测错位和触觉反馈缺失导致其操作困难,而这些障碍在人类直接执行操作任务时并不存在。

    相较而言,人类的双手本身是更优越的操作接口。

    基于这一背景下,本文提出了一个核心问题:

    如何缩小具身差距,使人类手部成为各类灵巧手的通用操作界面?

    DexUMI 框架主要通过硬件和软件两方面的创新来搭建一座桥梁。

    硬件方面,设计了可穿戴外骨骼装置。

    团队针对每款灵巧手设计了专用外骨骼,通过硬件优化框架调整外骨骼参数(如连杆长度),使其在保持人手可穿戴性的同时,精准匹配灵巧手指运动轨迹。

    △星动 XHAND 1 外骨骼

    该装置采用编码器精准捕捉关节运动,配备 150 ° 广视场角相机记录视觉观测数据,并通过刚性连接的 iPhone 借助 ARKit 技术追踪手腕位姿。

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    软件适配方面,采用数据处理流水线形式。首先通过视频分割技术从示教视频中移除人手及外骨骼,随后利用与目标动作匹配的灵巧手及环境背景进行视频修复。这一适配机制确保了尽管人手灵巧手存在视觉差异,训练阶段与机器人部署阶段的视觉输入仍能保持一致。

    具体包含四个步骤:

    人手与外骨骼分割

    环境背景修复

    生成对应灵巧手视频

    机器人示教视频合成

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    人手与外骨骼分割

    首先利用 SAM2 对观测视频中的人手及外骨骼进行分割(图 4b)。由于 SAM2 需初始提示点,团队建立了标准化操作协议:操作者始终以相同手势开始演示,使得所有示教数据均可复用同一组提示点。

    环境背景修复

    通过分割掩码从图像数据中移除人手及外骨骼像素,随后采用基于光流的修复方法 ProPainter 完整填充缺失区域(图 4c)。

    生成对应灵巧手视频

    为将灵巧手精准嵌入视频,团队在灵巧手上重放记录的关节动作,录制仅包含灵巧手的独立视频(图 4d)。该步骤不涉及机械臂运动。再次使用 SAM2 提取灵巧手像素(图 4e)并剔除背景。需说明的是,虽可训练图像生成模型基于动作输出灵巧手图像,但该方法需额外模型训练。

    机器人示教视频合成

    最后一步将纯背景修复视频与纯灵巧手视频进行融合。保持正确的遮挡关系至关重要:灵巧手并非始终处于最上层。团队开发了遮挡感知合成方法来解决这一问题。

    验证 DexUMI 的有效性

    团队在两款不同灵巧手上对 DexUMI 进行测试。

    Inspire 手(IHand):采用 12 自由度(6 主动自由度)欠驱动设计。拇指配置 2 个主动自由度与 2 个被动自由度,其余四指各具 1 个主动自由度及 1 个被动自由度。

    星动纪元 XHAND 1:采用全驱动设计,具备 12 个主动自由度。大拇指配置三个自由度,食指含三个自由度,其余三指各配备两个自由度。

    然后在四项现实任务中评估 DexUMI 系统:

    立方体任务 [ IHand ] :从桌面拾取 2.5 厘米宽立方体放入杯中,用于检验系统基础操作精度;

    蛋盒开启 [ IHand ] :多指协同开启蛋盒——需用食指、中指、无名指及小指按压盒盖,同时拇指抬起前扣,测试复杂手型控制能力;

    茶艺操作 [ IHand & XHand ] :从桌面夹取镊子,将茶叶从茶壶转移至茶杯。核心挑战在于通过多指接触稳定操控可变形工具;

    厨房任务 [ XHand ] :包含四个连续步骤:关闭灶台旋钮→将煎锅从灶台移至台面→从容器取盐→撒盐至锅中食物。测试系统在长时序任务中结合精确动作、触觉感知及非指尖操作的综合能力。

    每个测试回合开始时,任务物体均在桌面上随机初始化摆放。每项任务进行 20 次评估回合,所有对比方法均采用完全一致的初始物体配置。

    针对长时序任务,表 1 中按阶段统计累积成功率。

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    结果发现,软件适配对于弥合 DexUMI 流程中的视觉差距至关重要。比如在像学习蛋盒开启这种动作时,如果没有软件适配,就无法精准与物体交互并执行。

    通过硬件与软件的双重适配,DexUMI 能够采集多种任务数据并实现向机器人的技能迁移。真实环境综合实验表明,DexUMI 在两种灵巧手(6 自由度 Inspire 手和 12 自由度 XHAND 1 ) 上均表现优异:

    相比遥操作数据采集效率提升 3.2 倍,在包含需多指协同的长时序复杂任务等四项任务中平均成功率达 86%。

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    相比于遥操,DexUMI 具有两个主要优势:1)DexUMI 比传统的遥操作方法效率更高;2)DexUMI 提供直接的触觉反馈,而典型的遥操作系统通常无法提供这种反馈。

    总结与展望

    本文提出DexUMI——一种可扩展的高效数据采集与策略学习框架,该系统以人手为交互接口,在提供自然触觉反馈的同时,将人手运动精准转化为灵巧手动作。

    通过大量复杂现实任务实验,验证了 DexUMI 能够学习适用于精密操作、多接触交互及长时序任务的灵巧操控策略。

    本研究为超越传统遥操作模式、实现大规模灵巧手现实数据高效采集建立了新范式。

    在 DexUMI 的测试中,星动纪元自研五指灵巧手星动 XHAND 1 相比因时五指灵巧手 Inspire Hand 表现更加卓越,凭借其独特的关节全直驱技术,显著提升了数据采集的精度和可靠性。

    此外,星动 XHAND 1 单独完成了厨房长序列任务,该任务包括四个连续步骤:关闭 stove 旋钮、将锅从炉顶移到柜台、从容器中拿起盐、最后将其撒在锅中的食物上。该任务测试了 DexUMI 在具有精确动作、触觉传感和需要使用拇指和食指的侧面(而非指尖)的长周期任务上的能力。

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    星动 XHAND 1 之所以在厨房执行任务上表现良好,是因为其背后的关节全直驱方案以及指尖 270 度覆盖的高精度触觉传感器。 接下来,协同灵巧手如星动 XHAND 1 打造科研基础设施,贡献学习 dataset 建立数据采集共享社区将变成可能。

    在这个社区中,众多的数据采集者、研究机构、企业以及其他相关从业者都可以积极参与其中,共同贡献和使用高质量数据集。对于后续的使用者可以直接从共享社区中获取到高质量的数据集。

    这些数据集涵盖了多种类型和领域,能够满足不同用户在数据研究、模型训练、产品研发等方面的多样化需求。这种数据共享模式将降低数据采集的成本,避免了重复采集和资源浪费,还将大大提高了数据采集的效率,加速 Scaling law 中真实数据的比例,从而加速灵巧操作在实际应用场景的落地,推动扩大整体市场规模。

    论文链接: https://arxiv.org/pdf/2505.21864v2

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    — 完 —

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